DE102005007081B4

DE102005007081B4 - Piezoelektrische Stapelstruktur, Herstellungsverfahren der piezoelektrischen Stapelstruktur und Verwendung

Info

Publication number: DE102005007081B4
Application number: DE200510007081
Authority: DE
Inventors: Yoichi Kobane; Akira Fujii; Hideo Kamiya; Hiroaki Makino
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: US20050206274A1; JP2005235863A; US7514848B2; DE102005007081A1; JP4554232B2

Abstract

Piezoelektrische Stapelstruktur (1), welche durch abwechselndes Stapeln einer piezoelektrischen Schicht (111, 112), die PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) umfasst, und einer inneren Elektrodenschicht (121, 122), erhalten wird, wobei der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelstruktur eines Pb-basierten Glases (32) in der Kristallkorngrenze (310) der piezoelektrischen Schicht (111, 112) 95% oder mehr beträgt, wobei der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelstruktur ein Mittelwert der Korngrenzenfüllfaktoren von Kristallkörnern ist, die jeweils durch Teilen der Korngrenzenlänge (31) des Abschnitts, in dem das Pb-basierte Glas (32) an der Grenzfläche des jeweiligen Kristallkorns (31) anhaftet, durch die gesamte Korngrenzenlänge (J) des jeweiligen Kristallkorns (31) erhalten werden, beobachtet über jeweils zwei Kristallkörner von drei Bruchflächen der piezoelektrischen Stapelstruktur (1) in dem Bereich, an dem ein elektrisches Feld angelegt ist, und wobei die Piezoelektrische Stapelstruktur (1) innere Elektrodenschichten (121, 122) aufweist, die jeweils mit Ausnahme eines zu einer der Seitenflächen des Stapelelements liegenden Abschnitts (110) bereitgestellt sind, und diese Abschnitte (110) aufeinander folgend...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelektrische Stapelstruktur, die für einen piezoelektrischen Aktuator verwendbar ist, der in einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung oder dergleichen eines Automobils verwendet wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenso auf ein Herstellungsverfahren dafür.
Ein piezoelektrischer Aktuator, welcher eine piezoelektrische Stapelstruktur anwendet, wird manchmal als Antriebsquelle für eine Brennstoff-Einspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs wie einem Automobil verwendet.
Die piezoelektrische Stapelstruktur in dem piezoelektrischen Aktuator ist hermetisch in einem luftdichten Paket versiegelt, um sie vor Brennstoff mit hoher Temperatur oder Feuchtigkeit zu schützen.
Die piezoelektrische Schicht der piezoelektrischen Stapelstruktur umfasst jedoch eine polykristalline Keramik. Demzufolge sind eine große Anzahl von Kristallkorngrenzen sind im Inneren der piezoelektrischen Schicht vorhanden. Die Kristallkorngrenze schließt Lücken ein, wie in 6 gezeigt, was später beschrieben wird.
Wenn die piezoelektrische Stapelstruktur einer hohen Temperatur und einer geschlossenen Umgebung ausgesetzt ist, dringen manchmal ursprünglich adsorbierte Feuchtigkeit, ein Zersetzungsprodukt des aufbauenden Harzmaterials und verschiedene Substanzen, welche die interne Elektrodenschicht und die piezoelektrische Schicht aufbauen, in die Kristallkorngrenze ein. Durch dieses Phänomen werden die physikalischen Eigenschaften wie der Isolationswiderstandswert der piezoelektrischen Schicht verändert.
Dieses Phänomen steigert die Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens oder die Verringerung in der Zuverlässigkeit der piezoelektrischen Stapelstruktur.
Insbesondere wenn die eingedrungene Substanz eine elektrisch leitfähige Substanz ist, kann dies eine Abnahme des Isolationswiderstandswerts der piezoelektrischen Schicht hervorrufen.
In der JP 2001-181 041 A (vergl. auch US 6 511 763 B1 ) als Stand der Technik, ist eine Glasphase nur am Trippelpunkt der Körner anwesend, und ist nicht anwesend an den meisten der anderen Kristallkorngrenzen. Folglich kann eine elektrisch leitfähige Substanz in die Kristallkorngrenze, welche keine Glasphase aufweisen, eindringen, so dass der Isolationswiderstandswert verringert wird.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine piezoelektrische Stapelstruktur zur Verfügung zu stellen, welche im wesentlichen frei von Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Die Erfindung ist eine piezoelektrische Stapelstruktur gemäß Patentanspruch 1, welche durch abwechselndes Stapeln einer piezoelektrischen Schicht, welche PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) umfasst, und einer inneren Elektrodenschicht hergestellt wird,
wobei der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelstruktur eines Pb-basierten Glases in der Kristallkorngrenze der piezoelektrischen Schicht 95% oder mehr beträgt, wobei der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelstruktur ein Mittelwert der Korngrenzenfüllfaktoren von Kristallkörnern ist, die jeweils durch Teilen der Korngrenzenlänge des Abschnitts, in dem das Pb-basierte Glas an der Grenzfläche des jeweiligen Kristallkorns anhaftet, durch die gesamte Korngrenzenlänge des jeweiligen Kristallkorns erhalten werden, beobachtet über jeweils zwei Kristallkörner von drei Bruchflächen der piezoelektrischen Stapelstruktur in dem Bereich, an dem ein elektrisches Feld angelegt ist, und wobei die piezoelektrische Stapelstruktur innere Elektrodenschichten aufweist, die jeweils mit Ausnahme eines zu einer der Seitenflächen des Stapelelements liegenden Abschnitts bereitgestellt sind, und diese Abschnitte aufeinander folgend gestapelter Elektrodenschichten an gegenüberliegenden Seitenflächen bereitgestellt sind, und die Länge einer Leerstelle, welche an diesem Abschnitt gebildet ist weniger als 30 μm ist.
In der piezoelektrischen Stapelstruktur gemäß der Erfindung wird die Kristallkorngrenze mit einem Pb-basierten Glas gefüllt. Das ermöglicht nur schwer das Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen Substanzen.
Folglich kann die piezoelektrische Schicht vor Änderungen der physikalischen Eigenschaften wie den Isolationswiderstandswert bewahrt werden. Die piezoelektrische Stapelstruktur kann vor der Beeinträchtigung in des Leistungsverhaltens oder der Verringerung der Zuverlässigkeit bewahrt werden. Die Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Stapelstruktur gemäß Patentanspruch 4, in welcher eine piezoelektrische Schicht, die PZT umfasst, und eine innere Elektrodenschicht abwechselnd gestapelt werden, wobei das Verfahren umfasst:
Stapeln ungebrannter Lagen für die piezoelektrische Schicht, so dass ein ungebrannter gestapelter Körper hergestellt wird, die ungebrannten Lagen enthalten Pb im Überschuss des stöchiometrischen Verhältnisses in PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) und haben eine elektrisch leitfähige Paste für die innere Elektrodenschicht auf sich gedruckt, und
Brennen des ungebrannten gestapelten Körpers in einer Sauerstoffatmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 40 bis 100 Vol.-%, so dass der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelschicht eines Pb-basierten Glases in der Kristallkorngrenze im Inneren der piezoelektrischen Schicht 95% oder mehr beträgt, wobei der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelstruktur ein Mittelwert der Korngrenzenfüllfaktoren von Kristallkörnern ist, die jeweils durch Teilen der Korngrenzenlänge des Abschnitts, in dem das Pb-basierte Glas an der Grenzfläche des jeweiligen Kristallkorns anhaftet, durch die gesamte Korngrenzenlänge des jeweiligen Kristallkorns erhalten werden, beobachtet über jeweils zwei Kristallkörner von drei Bruchflächen der piezoelektrischen Stapelstruktur in dem Bereich, an dem ein elektrisches Feld angelegt ist, und wobei die piezoelektrische Stapelstruktur innere Elektrodenschichten aufweist, die jeweils mit Ausnahme eines zu einer der Seitenflächen des Stapelelements liegenden Abschnitts bereitgestellt sind, und diese Abschnitte aufeinander folgend gestapelter Elektrodenschichten an gegenüberliegenden Seitenflächen bereitgestellt sind, und die Länge einer Leerstelle, welche an diesem Abschnitt gebildet ist, weniger als 30 μm ist.
Durch Durchführen des Brennens in einer Sauerstoffkonzentration in dem zuvor beschriebenen Bereich füllt das Pb-basierte Glas noch schneller die Kristallkorngrenze. Die Kristallkorngrenze, welche mit einem Pb-basierten Glas gefüllt ist, kann ein Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen Substanzen verhindern.
Folglich kann die piezoelektrische Schicht vor einer Veränderung der physikalischen Eigenschaften wie dem Isolationswiderstandswertes geschützt werden. Die piezoelektrische Stapelstruktur kann vor der Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens oder der Verringerung der Zuverlässigkeit geschützt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine piezoelektrische Stapelstruktur zur Verfügung gestellt werden, welche im Wesentlichen frei von Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist. Ebenso wird ein Herstellungsverfahren dafür zur Verfügung gestellt.
1 ist eine erklärende Querschnittsansicht der piezoelektrischen Stapelstruktur gemäß Beispiel 1.
2 ist eine ebene Ansicht der piezoelektrischen Schicht und der inneren Elektrodenschicht gemäß Beispiel 1.
3 ist eine erklärende Ansicht, wenn ein ungebrannter gestapelter Körper unter Verwendung eines Rohrofens gemäß Beispiel 2 gebrannt wird.
4 ist eine erklärende Ansicht, wenn ein ungebrannter gestapelter Körper unter Verwendung eines Brennofens gemäß Beispiel 2 gebrannt wird.
5 ist eine graphische Darstellung, welche die Werte IR1/IR0 einer Probe und einer Vergleichsprobe zeigt, welche sich im Korngrenzenfüllfaktor gemäß Beispiel 3 unterscheiden.
6 ist eine erklärende Ansicht, welche die Kristallkörner und Kristallkorngrenzen in der piezoelektrischen Schicht gemäß Beispiel 4 zeigt.
7 ist eine erklärende Ansicht, welche die Korngrenzenlänge J1 in dem Bereich, welcher mit Kristallkörnern gefüllt ist, und die Korngrenzenlänge J0 in den angefüllten Bereich gemäß Beispiel 4 zeigt.
8 ist eine erklärende Ansicht eines Messschaltkreises zum Messen des Isolationswiderstandswertes gemäß Beispiel 5.
9 ist eine graphische Darstellung, welche die Korngrenzenfüllfaktoren der piezoelektrischen Stapelstruktur, welche in Luft gebrannt wurde, und der piezoelektrischen Stapelstruktur, welche in einer Sauerstoffatmosphäre gemäß Beispiel 6 gebrannt wurde, zeigt.
10 ist eine erklärende Ansicht, welche sich auf die Leerstelle bezieht, welche an den Endabschnitten der inneren Elektrodenschicht gemäß Beispiel 7 gebildet wird.
11 ist eine erklärende Querschnittsansicht der Brennstoff-Einspritzvorrichtung 5 gemäß Beispiel 8.
In der piezoelektrischen Stapelstruktur gemäß der Erfindung werden eine piezoelektrische Schicht und eine innere Elektrodenschicht abwechselnd gestapelt. Durch Anlegen eines Energetisierungsstroms an die innere Elektrodenschicht wird eine Potentialdifferenz zwischen den jeweiligen piezoelektrischen Schichten erzeugt. Dadurch wird die piezoelektrische Schicht ausgelenkt. Die Energetisierung der inneren Elektrodenschicht wird durch Anlegen eines Energetisierungsstroms an die Seitenelektroden durchgeführt, welche auf den Seitenflächen der piezoelektrischen Stapelstruktur bereitgestellt sind.
Was die piezoelektrische Stapelstruktur betrifft, sind eine vollständige Elektrodenstruktur zum Bilden einer inneren Elektrodenschicht auf der gesamten Oberfläche der piezoelektrischen Schicht und eine teilweise Elektrodenstruktur zum teilweisen Bereitstellen einer inneren Elektrodenschicht auf der piezoelektrischen Schicht bekannt (siehe 1 und 2, welche später beschrieben werden). In der Erfindung kann jeweils eine piezoelektrische Stapelstruktur hergestellt werden.
In manchen Fällen wird eine Trennschicht wie eine Blindschicht, welche durch die Energetisierung nicht ausgelenkt wird, an den Endflächen in der Stapelrichtung der piezoelektrischen Stapelstruktur zur Verfügung gestellt.
In der piezoelektrischen Stapelstruktur, welche durch die Erfindung erhalten wird, umfasst die piezoelektrische Schicht einen gebrannten PZT-Polykristall. Eine Kristallkorngrenze ist zwischen einem Kristallkorn und einem Kristallkorn vorhanden. Der Korngrenzenfüllfaktor eines Pb-basierten Glases in der Kristallkorngrenze beträgt 95% oder mehr.
Der Korngrenzen-Füllfaktor, wie er hier verwendet wird, ist ein Wert (%), welcher, wie in Beispiel 4 später beschrieben oder in 6 und 7 gezeigt wird, durch Teilen der Korngrenzenlänge in dem Bereich, welcher mit einem Pb-basierten Glas gefüllt ist, durch die gesamte Korngrenzenlänge des relevanten Kristallkorns erhalten wird.
Die gesamte Korngrenzenlänge, wie sie hier verwendet wird, ist in dem relevanten Kristallkorn „die Länge der gefüllten Korngrenze (das heißt die Länge des Abschnitts, in dem ein Pb-basiertes Glas an der Grenzfläche der Kristallkörner anhaftet) + die Länge der ungefüllten Korngrenzen”.
Wenn der Korngrenzen-Füllfaktor weniger als 95% beträgt, können Feuchtigkeit oder andere Substanzen eindringen, so dass eine Veränderung in den Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht hervorgerufen wird.
In der Erfindung ist der Korngrenzenfüllfaktor insbesondere bevorzugt 100%.
Das Pb-basierte Glas wird durch Substanzen aufgebaut, die in der piezoelektrischen Schicht oder der inneren Elektrodenschicht enthalten sind und umfasst ein Glasmaterial, welches zum Beispiel hauptsächlich Pb-WO₃ oder Pb-MoO₃ enthält. Dieses Glasmaterial ist nahezu amorph und enthält ebenso andere Substanzen als Pb, W und Mo.
Das Verfahren zum Brennen des ungebrannten gestapelten Körpers, so dass ein Pb-basiertes Glas auf der Kristallkorngrenze im Inneren der piezoelektrischen Schicht abgeschieden, und dabei eine gebrannte Stapelstruktur erhalten wird, wird nachstehend beschrieben.
Die piezoelektrische Schicht umfasst PZT. Daher muss eine Verbindung, welche Pb enthält, für das Rohmaterial der piezoelektrischen Schicht verwendet werden. In diesem Fall können durch Verwendung eines Rohmaterials, welches Pb in leichtem Überschuss des stöchiometrischen Verhältnisses in PZT enthält, Glaskomponenten, in denen Pb an andere Substanzen gebunden ist, in die Kristallkorngrenzen ausgeschieden werden.
Ebenso kann die Verdampfung von Pb aus dem ungebrannten gestapelten Körper verhindert werden, wenn Pb in der Brennatmosphäre zum Zeitpunkt des Brennens des ungebrannten gestapelten Körpers enthalten ist, um eine gebrannten Stapelstruktur zu erhalten. Wenn darüber hinaus eine Atmosphäre mit Pb-Überschuss positiv gebildet wird, können Glaskomponenten, in denen Pb an andere Substanzen gebunden ist, in die Lücke eindringen, d. h., in die Kristallkorngrenze, und dann, mit dem Abfallen der Temperatur nach dem Abschließen des Brennens sich auf der Kristallkorngrenze abscheiden.
In der Erfindung, wenn die piezoelektrische Stapelstruktur eine teilweise Elektrodenstruktur aufweist, ist die Länge der Leerstelle, die an dem Endabschnitt der inneren Elektrodenschicht gebildet wird, bevorzugt weniger als 30 μm.
Durch Begrenzen der Leerstelle auf diese Länge kann die piezoelektrische Stapelstruktur von einer Abnahme des Isolationswiderstandswertes bewahrt werden.
Die Definition der Leerstelle wird später beschrieben (siehe Beispiel 7 und 10).
Die piezoelektrische Stapelstruktur gemäß der Erfindung kann für den piezoelektrischen Aktuator verwendet werden, der als Antriebsquelle in einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung eines Verbrennungsmotors angewendet wird.
Bei der Verwendung für eine piezoelektrische Stellbewegung einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung muss die piezoelektrische Stapelstruktur in einem hermetisch abgeschlossenen Behälter versiegelt sein. Zur gleichen Zeit ist die Umgebung, in der die Brennstoff-Einspritzvorrichtung verwendet wird in der Nähe eines Verbrennungsmotors und in einer Hochtemperaturatmosphäre.
Das heißt, die piezoelektrische Stapelstruktur wird in einer Umgebung verwendet, welche es leicht ermöglicht, daß Feuchtigkeit oder verschiedene Substanzen, welche die innere Elektrodenschicht und die piezoelektrische Schicht aufbauen, in die Kristallkorngrenze im Inneren der piezoelektrischen Schicht eindringen.
Folglich kann durch Verwendung einer piezoelektrischen Stapelstruktur, in der die Kristallkorngrenze mit einem Pb-basierten Glas wie in der Erfindung gefüllt ist, eine Beeinträchtigung der piezoelektrischen Stapelstruktur verhindert und in der Folge die Zuverlässigkeit der Brennstoff-Einspritzvorrichtung verbessert werden.
(Beispiel 1)
Die piezoelektrische Stapelstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben.
In der piezoelektrischen Stapelstruktur dieses Beispiels werden eine piezoelektrische Schicht, welche PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) umfaßt, und eine innere Elektrodenschicht abwechselnd gestapelt. Der Korngrenzenfüllfaktor eines Pb-basierten Glases in der Kristallkorngrenze im Inneren der piezoelektrischen Schicht beträgt 95% oder mehr.
Dies wird im Detail nachstehend beschrieben. In der piezoelektrischen Stapelstruktur dieses Beispiels, wie in 1 und 2 gezeigt, werden eine piezoelektrische Schicht 111, bei der eine innere Elektrodenschicht 121 in dem Abschnitt mit Ausnahme des belegten Elektrodenabschnitts 110 bereitgestellt ist, und eine piezoelektrische Schicht 112, bei der eine innere Elektrodenschicht 122 in dem Abschnitt mit Ausnahme des belegten Elektrodenabschnitts 110 bereitgestellt ist, abwechselnd gestapelt.
Der Endabschnitt der inneren Elektrodenschicht 121 liegt zu der Seitenfläche 101 hin und der Endabschnitt der inneren Elektrodenschicht 122 zu der Seitenfläche 102 hin frei. Diese freiliegenden Endabschnitte können jeweils durch die Seitenelektroden 15 und 16 energetisiert werden. Die piezoelektrischen Schichten 111 und 112 umfassen jeweils PZT. Die inneren Elektrodenschichten 121 und 122 umfassen jeweils Ag-Pd. Die Seitenelektroden umfassen jeweils Ag. Im übrigen sind die piezoelektrischen Schichten 131 und 132, welche auf beiden Endflächen in der Stapelrichtung angeordnet sind, Blindschichten, welche nicht durch Energetisierung ausgelenkt werden.
In der piezoelektrischen Stapelstruktur 1 dieses Beispiels wird die Kristallkorngrenze mit einem Pb-basierten Glas gefüllt und ermöglicht das Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen Substanzen nur schwer. Folglich können die piezoelektrischen Schichten 111 und 112 vor Änderungen der physikalischen Eigenschaften wie des Isolationswiderstandswertes geschützt werden. Die piezoelektrische Stapelstruktur 1 kann vor der Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens oder der Verringerung in der Zuverlässigkeit geschützt werden.
Auf diesem Weg kann gemäß dieses Beispiels eine piezoelektrische Stapelstruktur erhalten werden, welche im wesentlichen frei von Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
(Beispiel 2)
In diesem Beispiel wird das Verfahren zum Herstellen der piezoelektrischen Stapelstruktur aus Beispiel 1 beschrieben.
Das heißt, zur Herstellung einer piezoelektrischen Stapelstruktur, wie sie in Beispiel 1 beschrieben wird, in welcher eine piezoelektrische Schicht, welche PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) umfaßt, und eine innere Elektrodenschicht abwechselnd gestapelt werden, werden ungebrannte Lagen für die piezoelektrische Schicht, in denen Pb im Überschuß des stöchiometrischen Verhältnisses in PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) enthalten und auf denen eine elektrisch leitfähige Paste für die innere Elektrodenschicht aufgedruckt ist, gestapelt, so daß ein ungebrannter gestapelter Körper hergestellt wird. Der ungebrannte gestapelte Körper wird in einer Sauerstoffatmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 40 bis 100 Vol.-% so gebrannt, daß der Korngrenzenfüllfaktor eines Pb-basierten Glases in der Kristallkorngrenze im Inneren der piezoelektrischen Schicht 95% oder mehr beträgt.
Dies wird im Detail nachstehend beschrieben.
Zunächst wird die Herstellung des Schlickers für die piezoelektrische Schicht beschrieben.
Nach dem Einwiegen eines Rohmaterialpulvers für die piezoelektrische Schicht wurden das Rohmaterialpulver und ein Dispergator in einem Mischer gemischt, die Mischung dann getrocknet und mit einem Mörsergerät gemahlen.
Zu diesem Zeitpunkt wurde die ungebrannte Lage unter Verwendung eines Rohmaterialpulvers für die piezoelektrische Schicht hergestellt, in der Pb im Überschuß des stöchiometrischen Verhältnisses in PZT enthalten war.
Spezieller ausgedrückt, obwohl in der piezoelektrischen Stapelstruktur, welche eine dielektrische Keramik vom ABO3-Typ ist, die Komponenten gewöhnlicherweise so gemischt werden, daß sie ein molares Verhältnis von A:B:O = 1:1:3 ergeben, war überschüssiges Blei in der Stelle A vorhanden, so daß, wenn für die Stelle B1 angenommen wurde, die Gesamtmenge von Komponenten in der Stelle A, welche Blei enthielt, ein molares Verhältnis von 1,00 oder mehr ergab, wodurch ein Zustand mit Pb Überschuß zur Verfügung gestellt wurde.
Das gemahlene Rohmaterialpulver wurde kalziniert, um ein kalziniertes Pulver zu erhalten. Ein Dispergator wurde mit dem kalzinierten Pulver gemischt und die Mischung naß gemahlen, getrocknet und erneut in einem Mörsergerät gemahlen. Nachfolgend wurden ein Dispergator, ein Lösungsmittel, ein Weichmacher und ein Binder dazu gegeben und gemischt, so daß ein Schlicker gebildet wurde. Der Schlicker wurde bei einer Behandlung zum Entgasen und einer Einstellung der Viskosität unterzogen, und dann durch einen Filter gefiltert, so daß ein Schlicker für die piezoelektrische Schicht erhalten wurde.
Danach wurde eine Paste für die innere Elektrodenschicht hergestellt.
Aus dem Schlicker für die piezoelektrische Schicht wurde unter Verwendung eines Rakelgießverfahrens („Doctor Blade”) eine Grünlage hergestellt. Diese Grünlage wurde in eine geeignete Größe geschnitten, getrocknet und mit einer Stanze gestanzt, so daß eine ungebrannte Lage für die piezoelektrische Schicht erhalten wurde.
Die Paste für die innere Elektrodenschicht wurde auf die ungebrannte Lage aufgedruckt und getrocknet, und dann eine vorbestimmte Anzahl von ungebrannten Lagen unter Druck verbunden und gestapelt, so daß ein ungebrannter gestapelter Körper erhalten wurde.
Das Brennen des ungebrannten gestapelten Körpers wird nachstehend beschrieben.
Der ungebrannte gestapelte Körper wurde gebrannt, um ein Pb-basiertes Glas auf der Kristallkorngrenze im Inneren der piezoelektrischen Schicht abzuscheiden, wodurch eine gebrannte Stapelstruktur erhalten wurde.
Im speziellen wurde das Brennen unter Verwendung eines Brenngeräts 2 wie in 3 gezeigt durchgeführt.
In diesem Brenngerät 2 wird ein Rohrofen 20 mit einem Bohrungsdurchmesser von 50 mm durch Verstopfen von beiden Enden mit Stopfen 201 und 202 geschlossen und durch Heizer 291 und 292, welche über und unter dem Rohrofen 20 angeordnet sind, aufgeheizt. Im Inneren des Rohrofens 20 wird eine Plazierungsplatte 21 (aus Aluminiumoxid), auf welcher der ungebrannte gestapelte Körper 25 plaziert ist, und ein Aluminiumoxidschiffchen 22 zum Bedecken des ungebrannten gestapelten Körpers 25, der auf der Platte plaziert ist, angeordnet. Der Raum 220, welcher zwischen dem Aluminiumoxidschiffchen 22 und der Plazierungsplatte 21 gebildet wird, ist eine Brennstelle für den ungebrannten gestapelten Körper 25. Das Volumen dieses Abschnitts ist 12 cm³. Bezugszeichen 23 ist ein Thermometer, das zum Einstellen der Brenntemperatur verwendet wird.
Zwei Kreiselpumpen 241 und 242 sind mit dem Rohrofen 20 verbunden. Durch Verwendung dieser Pumpen wird die Sauerstoffkonzentration der inneren Atmosphäre in dem Rohrofen auf 40 bis 100 Vol.-% eingestellt.
Im speziellen wurde die Luft im Inneren des Rohrofens 20 durch eine Kreiselpumpe 241 evakuiert, um den Druck zu reduzieren. Danach wurde Sauerstoff unter Verwendung einer anderen Kreiselpumpe 242 eingeführt, bis das Innere des Rohrofens 20 Atmosphärendruck erreicht hatte.
Auf diesem Weg wurde eine Atmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 40 Vol.-% oder mehr gebildet.
Danach wurde das Brennen durch das folgende Temperaturanhebungsverfahren durchgeführt, um eine gebrannte Stapelstruktur zu erhalten.
Das heißt, die Temperatur wurde mit 200°C/Stunde für 3 Stunden und nach Erreichen von 600°C bei 40°C/Stunde für 9 Stunden angehoben. Nach Erreichen von 960°C wurde das System weiter aufgeheizt, um die Temperatur auf eine maximale Temperatur anzuheben und bei der maximalen Temperatur für 2 Stunden gehalten. Danach wurde das System mit mindestens 65°C/Stunde für 1 Stunde und ferner bei 150°C/Stunde für 6 Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt. Ein Sauerstoffgas wurde mit 20 ml pro Minute während des Brennens zugeführt.
Nachfolgend wurde eine Druckpaste für die Seitenelektrode aufgebracht, so daß Seitenelektroden wie in 1 gezeigt, erhalten wurden, und dann gebrannt. Die Stapelstruktur wurde abschließend gewaschen und getrocknet, so daß eine piezoelektrische Stapelstruktur 1 erhalten wurde.
Verschiedene piezoelektrische Stapelstrukturen wurden durch das zuvor beschriebene Verfahren hergestellt. Jede wurde Prüfungen des Leistungsverhaltens unterzogen. Die Ergebnisse sind nachstehend beschrieben.
Zu dem Zeitpunkt des Brennens des ungebrannten gestapelten Körpers durch das Temperaturanhebungsverfahren wie vorstehend beschrieben, wurden die Proben jeweils durch Ändern der maximalen Temperatur auf 1065°C, 1100°C, 1015°C und 965°C hergestellt. Im übrigen war für alle piezoelektrischen Stapelstrukturen die Sauerstoffkonzentration der Brennatmosphäre 90 Vol.-%.
Der Korngrenzenfüllfaktor dieser piezoelektrischen Stapelstrukturen wurde durch das in Beispiel 4 beschriebene Verfahren gemessen. Es wurde festgestellt, daß in allen Proben 95% übertroffen wurden.
Ebenso wurde das Leistungsverhalten durch das in Beispiel 3 beschriebene Verfahren untersucht. Als Ergebnis zeigten alle piezoelektrischen Stapelstrukturen exzellente Beständigkeit mit nahezu keiner Abnahme des Isolationswiderstandswerts, selbst wenn die Standzeit über 1000 Stunden war.
Wie in diesem Beispiel beschrieben wird, füllt durch Ausführen des Brennens mit einer Sauerstoffkonzentration in dem zuvor beschriebenen Bereich das Pb-basierte Glas schneller die Kristallkorngrenze. Die mit einem Pb-basierten Glas gefüllte Kristallkorngrenze kann das Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen Substanzen verhindern.
Folglich kann die piezoelektrische Schicht vor Änderungen der physikalischen Eigenschaften wie des Isolationswiderstandswertes geschützt werden. Die piezoelektrische Stapelstruktur kann vor einer Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens oder einer Verringerung der Zuverlässigkeit bewahrt werden.
Auf diesem Weg, gemäß dieses Beispiels, kann ein Herstellungsverfahren für eine piezoelektrische Stapelstruktur zur Verfügung gestellt werden, welche im wesentlichen frei von Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
4 zeigt ein anderes Beispiel des Brennofens zum Brennen der piezoelektrischen Stapelstruktur.
In einem Brennofen 3, gezeigt in 4, werden eine Kassette 331 mit einem darin abgeschiedenem Mittel 333 zum Einstellen der Atmosphäre und eine Kassette 332 mit darin angeordneten ungebrannten gestapelten Körpern 25 durch Aufschichten derselben eingesetzt. Für das Mittel 333 zum Einstellen der Atmosphäre wird Bleizirkonat (PbZrO₃) verwendet.
Zwei Kreiselpumpen werden in der gleichen Art und Weise wie in 3 verbunden. Durch Verwendung dieser Pumpen wurde die Sauerstoffkonzentration der inneren Atmosphäre in dem Brennofen 3 auf 40 bis 100 Vol.-% eingestellt.
Was die anderen Details anbelangt, kann das Brennen in der gleichen Art und Weise wie in dem Fall der Verwendung eines Rohrofens 2, wie er in 3 gezeigt wird, ausgeführt werden.
(Beispiel 3)
In diesem Beispiel wurden der Kristallkorngrenzenfüllfaktor eines Pb-basierten Glases und das Leistungsverhalten der piezoelektrischen Stapelstruktur ausgewertet.
Piezoelektrische Stapelstrukturen weisen die in Beispiel 1 beschriebene teilweise Elektrodenstruktur we auf, und wurden durch Variieren des Korngrenzenfüllfaktors hergestellt, das heißt, Probe 1 (Korngrenzenfüllfaktor: 95%), Vergleichsprobe C1 (Korngrenzenfüllfaktor: 47%) und Vergleichsprobe C2 (Korngrenzenfüllfaktor: 12%). Für jede dieser Proben und Vergleichsproben wurden zwei Piezoelektrische Stapelstrukturen hergestellt und den später beschriebenen Messungen unterzogen.
Jede Probe wurde in einer luftdichten Packung versiegelt und in einer Umgebung bei einer Temperatur von 190°C für 1 bis 1000 Stunden stehen gelassen. 5 ist eine graphische Darstellung, in der, wenn der Isolationswiderstandswert vor dem Stehen IR0 und der Isolationswiderstandswert nach dem Stehen IR1 ist, die Werte von IR1/IR0 auf der Ordinate und die Standzeit auf der Abszisse aufgetragen sind.
Wie aus 5 ersehen werden kann, ist Probe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische Stapelstruktur mit exzellenter Beständigkeit mit nahezu keiner Abnahme des Isolationswiderstandswerts, selbst nach dem Verstreichen von 1000 Stunden. Dahingegen nimmt der Isolationswiderstandswert der Vergleichsproben 1 und 2 jeweils mit dem Verstreichen von Zeit ab.
Das Meßverfahren für den Korngrenzenfüllfaktor wird später in Beispiel 4 beschrieben. Das Meßverfahren für den Isolationswiderstandswert wird später in Beispiel 5 beschrieben.
(Beispiel 4)
Die Feinstruktur der piezoelektrischen Schicht und das Meßverfahren für den Korngrenzenfüllfaktor werden beschrieben.
Die Feinstruktur der piezoelektrischen Schicht in der piezoelektrischen Stapelstruktur umfaßt, wie in 6 gezeigt, ein amorphes Kristallkorn 31 und ein Pb-basiertes Glas 32, welches in die Lücke gefüllt ist, die an der Kristallkorngrenze 310 zwischen den Kristallkörnern 31 gebildet ist.
Der Korngrenzenfüllfaktor wurde durch ein Reflexionselektronenbild (zusammengesetztes Bild) der Kristallkörner 31 in der piezoelektrischen Schicht gemessen, welches durch einen Reflexionselektronendetektor erhalten wurde, der in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) integriert ist.

Die Bedingungen des Reflexionselektronendetektors, wie er in der Messung von Beispiel 3 verwendet wurde, sind wie folgt:

verwendete Vorrichtung:	Rasterelektronenmikroskop
Hersteller:	Hitachi, Ltd.
Modell:	S4300
Anwesenheit oder Abwesenheit von Dampfabscheidung auf der Probe (Bruchfläche der piezoelektrischen
Stapelstruktur):	abwesend
Beschleunigungsspannung:	5 kV
Vergrößerung bei der Beobachtung:
	von einigen Hundert bis
	10.000 Mal
WD (Arbeitsabstand):	15 mm
Reflexionselektronendetektor:
	YAG Szintillationstyp

Die Beobachtung wurde für die Bruchfläche der piezoelektrischen Stapelstruktur in dem Bereich durchgeführt, an dem ein elektrisches Feld anlag.
Der Korngrenzenfüllfaktor wurde auf einem Kristallkorn 31 der piezoelektrischen Schicht wie folgt berechnet.
Wie in 7 gezeigt, ist der Korngrenzenfüllfaktor ein Wert (%), welcher durch Teilen der Korngrenzenlänge J1 in dem Bereich, der mit einem Pb-basierten Glas gefüllt ist, durch die gesamte Korngrenzenlänge J erhalten wird.
Die gesamte Korngrenzenlänge J, wie sie hier verwendet wird, wie in 7 gezeigt, ist in einem relevanten Kristallkorn 31 „Länge J1 der gefüllten Korngrenze (das heißt, die Länge des Abschnitts, in dem ein Pb-basiertes Glas an den Grenzflächen der Kristallkörner anhaftet) + Länge J0 der ungefüllten Korngrenze”.
Bei einer aktuellen Messung wurde die Bruchfläche der piezoelektrischen Stapelstruktur mit einer Vergrößerung von 10.000 beobachtet. Zwei Kristallkörner wurden ausgewählt und pro einer Bruchfläche gemessen. Diese Messung wurde für drei Bruchflächen durchgeführt. Der Mittelwert des Korngrenzenfüllfaktors, der auf diese Weise von sechs Kristallkörnern im Ganzen erhalten wurde, wurde als „Korngrenzenfüllfaktor der piezoelektrischen Stapelstruktur” verwendet.
(Beispiel 5)
Das Meßverfahren für den Isolationswiderstandswert wird beschrieben.
Wie in 8 gezeigt, wurde die piezoelektrische Stapelstruktur 1 in Serie mit einem Schaltkreis-Schutzwiderstand 42, einem Widerstand 43 von 10 kΩ und einer Wechselstromquelle 41 und zur gleichen Zeit mit einem Meßschaltkreis 4 verbunden, welcher ein digitales Multimeter 44 umfaßt, das parallel mit dem Widerstand 43 von 10 kΩ geschaltet ist.
In diesem Meßschaltkreis 4 wurde eine Gleichspannung von 150 Volt von den Seitenelektroden 15 und 16 der piezoelektrischen Stapelstruktur 1 angelegt und nach 2 Minuten der Wert des digitalen Multimeters 44 abgelesen. Der Schaltkreis-Stromwert wurde aus der Spannung bestimmt. Gemäß der Formel „Isolationswiderstandswert = 150/Schaltkreis-Stromwert” konnte der Isolationswiderstandswert der piezoelektrischen Stapelstruktur berechnet werden.
(Beispiel 6)
In diesem Beispiel wurde die Beziehung zwischen dem Unterschied der Brenntemperatur für die piezoelektrische Stapelstruktur und dem Korngrenzenfüllfaktor unter Verwendung von Probe 2 und Vergleichsprobe C3 gemessen.
Probe 2 ist eine piezoelektrische Stapelstruktur, welche durch das Herstellungsverfahren aus Beispiel 2 hergestellt wurde, in dem der Druck im Inneren des Rohrofens 1,01325 bar (eine Atmosphäre) betrug und die Sauerstoffkonzentration bei 90 Vol.-% lag (mit einem Rest aus zum Beispiel Stickstoff und etwas CO₂).
Vergleichsprobe C3 wurde durch das gleiche Herstellungsverfahren wie in Beispiel 2 mit der Ausnahme hergestellt, daß das Brennen durchgeführt wurde, während das Innere des Rohrofens wie es war in einer Luftatmosphäre belassen wurde. Demzufolge war die Sauerstoffkonzentration etwa 20 Vol.-%. Für sowohl die Probe als auch die Vergleichsprobe wurden zwei piezoelektrische Stapelstrukturen jeweils hergestellt und gemessen.
Wie aus 9 ersehen werden kann, ist der Korngrenzenfüllfaktor in der Kristallkorngrenze der piezoelektrischen Stapelstruktur, welche in Luft gebrannt wurde, sehr niedrig und 20% oder weniger. Durch Ausführen des Brennens in einer Sauerstoffatmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 90 Vol.-% kann eine piezoelektrische Stapelstruktur mit einem hohen Faktor von 95% oder mehr erhalten werden.
(Beispiel 7)
Unter Bezug auf die piezoelektrische Stapelstruktur mit einer teilweisen Elektrodenstruktur wurde die Beziehung zwischen der Länge der Leerstelle, welche an den Endabschnitten der inneren Elektrodenschicht gebildet wurden, und der Abnahme des Isolationswiderstandswertes gemessen.
Wie in 10 gezeigt, wird manchmal eine Leerstelle 120 an den Endabschnitten der inneren Elektrodenschicht 121 gebildet.
Die „Länge der Leerstelle” ist die Längendimension m der Leerstelle 120, wie sie in 10 gezeigt wird, und die Länge vom Anfangspunkt zum Endpunkt von Leerstellen, welche kontinuierlich an den Endabschnitten der inneren Elektrodenschicht 121 oder 122 gebildet sind.
Eine große Anzahl von piezoelektrischen Stapelstrukturen wurde hergestellt und die Länge der Leerstellen, welche an den Endabschnitten der inneren Elektrodenschicht gebildet wurden, gemessen. Ebenso wurden die Werte IR1/IR0 in jeder piezoelektrischen Stapelstruktur durch das in Beispiel 3 beschriebene Verfahren gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 durch Angabe von „abwesend”, wenn die dazwischen befindlichen Werte IR1/IR0 vor und nach der Standzeit 0,01 oder weniger sind, und andererseits „anwesend” gezeigt
Wie aus Tabelle 1 ersehen werden kann, wenn die Leerstellenlänge 30 μm oder weniger ist, wird der dazwischen befindliche Isolationswiderstandswert vor und nach der Standzeitprüfung nicht verringert. Eine piezoelektrische Stapelstruktur mit exzellenter Beständigkeit kann erhalten werden. Tabelle 1

Leerstellenlänge (μm) 0 8 19 29 43 51 73

Abnahme des Isolationswiderstandswertes abwesend anwesend
Sowohl Vergleichsprobe C3 als auch Probe 2, welche in Beispiel 6 hergestellt wurden, wurden geschnitten, um den Querschnitt aus 10 zu erhalten. Nach dem Polieren der Oberfläche wurde die Anwesenheit oder Abwesenheit der Leerstellen, welche an den Endabschnitten der inneren Elektrodenschicht 121 wie in 10 gezeigt gebildet wurde, durch ein herkömmliches metallurgisches Mikroskop untersucht.
Als Ergebnis wies Probe 2 eine offensichtlich kleine Leerstellenlänge von 5 μm und Vergleichsprobe C2 eine große Leerstellenlänge von 45 μm auf.
Von diesen wird ersehen, daß die Leerstelle, welche an dem Ende gebildet wurde, durch Ausführen des Brennens in einer Atmosphäre bei einer hohen Sauerstoffkonzentration klein eingestellt werden kann.
(Beispiel 8)
In diesem Beispiel wird die Brennstoff-Einspritzvorrichtung mit einem eingebauten piezoelektrischen Aktuator beschrieben, welcher die piezoelektrische Stapelstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt.
Die in diesem Beispiel beschriebene Brennstoff-Einspritzvorrichtung 5, wie in 11 gezeigt, wird auf ein Einspritzsystem mit gemeinsamer Kraftstoffleitung für einen Dieselmotor angewendet.
Diese Brennstoff-Einspritzvorrichtung 5 umfaßt, wie in 11 gezeigt, ein oberes Gehäuse 52 zum Einhausen einer piezoelektrischen Stapelstruktur 1 als Antriebselement, und ein unteres Gehäuse 53, welches an dem unteren Ende des oberen Gehäuses befestigt und darin das Einspritzdüsenelement 54 gebildet ist.
Das obere Gehäuse 52 ist im wesentlichen zylindrisch. Eine piezoelektrische Stapelstruktur 1 ist darin angebracht und in einem länglichen Loch 521 befestigt, welches exzentrisch zu der Mittelachse liegt.
Ein Hochdruck-Brennstoffdurchgang 522 ist parallel dazu und auf der Seite des länglichen Lochs 521 angeordnet. Sein oberer Endabschnitt führt durch ein Brennstoffeinfuhrrohr 523, welches aufwärts von dem oberen Gehäuse 52 hervorragt und mit einer externen gemeinsamen Kraftstoffleitung in Verbindung steht (nicht gezeigt).
Ein Brennstoffauslaßrohr 525, welches mit einem Abflußdurchgang 524 in Verbindung steht, ragt von dem oberen Teil des oberen Gehäuses 52 hervor. Der Brennstoff, welcher aus der Brennstoffauslaßleitung 525 herausfließt wird in einen Brennstofftank (nicht gezeigt) zurückgeführt.
Der Abflußdurchgang 524 steht in Verbindung mit einem Dreiwegeventil 551, welches später beschrieben wird, durch einen Durchgang (nicht gezeigt), welcher durch eine Lücke 50 zwischen dem länglichen Loch 521 und der piezoelektrischen Vorrichtung 1 hindurchfährt und sich nach unten von dieser Lücke 50 im Inneren des oberen und unteren Gehäuses 52 und 53 erstreckt.
Das Einspritzdüsenelement 54 umfaßt eine Düsennadel 541, welche im Inneren eines Kolbenkörpers 531 auf und ab gleitet, ein Einspritzloch 543, welches durch die Düsennadel 541 geöffnet oder geschlossen wird und den Hochdruckbrennstoff, welcher von einem Brennstoff-Vorratsbehälter 542 in jeden Zylinder des Motors zugeführt wird, einspritzt. Der Brennstoff-Vorratsbehälter 542 wird um einen Zwischenabschnitt der Düsennadel 541 herum gebildet. Das untere Endanschnitt des Hochdruck-Brennstoffdurchgangs 522 ist zu diesem Brennstoff-Vorratsbehälter hin geöffnet. Die Düsennadel 541 empfängt Brennstoffdruck in der Öffnungsrichtung des Ventils aus dem Brennstoff-Vorratsbehälter 542 und empfängt Brennstoffdruck in der Verschlußrichtung des Ventils von einer Gegendruckkammer 544, welche gegenüber der oberen Endfläche bereitgestellt ist. Wenn der Druck der Gegendruckkammer 544 abfällt, hebt sich die Düsennadel 541. Als Ergebnis wird das Einspritzloch 543 geöffnet und der Brennstoff eingespritzt.
Der Druck in der Gegendruckkammer 544 wird durch das Dreiwegeventil 551 angehoben oder abgesenkt. Das Dreiwegeventil 551 ist so aufgebaut, daß die Gegendruckkammer 544 selektiv mit dem Hochdruck-Brennstoffdurchgang 522 oder dem Abflußdurchgang 524 in Verbindung steht, und einen kugelförmigen Ventilkörper aufweist, welcher einen Anschluß öffnet oder schließt, der mit dem Hochdruck-Brennstoffdurchgang 522 oder dem Abflußdurchgang 524 in Verbindung steht. Dieser Ventilkörper wird durch das zuvor beschriebene Antriebselement 1 durch einen Kolben 552 mit großem Durchmesser, eine Öldruckkammer 553 und einen Kolben 554 mit kleinem Durchmesser betrieben, welche unter dem Antriebselement angeordnet sind.
Die Brennstoff-Einspritzvorrichtung 5, welche eine solche Struktur aufweist, ist in einem Automobil oder dergleichen mit einem Dieselmotor angeordnet, und in einer harten Umgebung Hochtemperaturbrennstoff oder Dampf ausgesetzt.
Folglich ist die piezoelektrische Stapelstruktur 1 in dieser Brennstoff-Einspritzvorrichtung 5 in einer luftdichten Packung hermetisch versiegelt und in diesem Zustand in dem länglichen Loch 521 angeordnet.
Die Auslenkungspräzision der piezoelektrischen Stapelstruktur in der Brennstoff-Einspritzvorrichtung 5 beeinflußt in großem Umfang das Leistungsverhalten des Dieselmotors. Folglich muß die korrekte Auslenkung so lange wie möglich erhalten bleiben.
In diesem Bezug ist die piezoelektrische Stapelanordnung 1 aus Beispiel 1 der vorliegenden Erfindung im wesentlichen frei von Änderungen der physikalischen Eigenschaften wie des Isolationswiderstandswertes der piezoelektrischen Schicht und leidet kaum an Beeinträchtigung in dem Leistungsverhalten oder der Verringerung der Zuverlässigkeit. Demzufolge ist die piezoelektrische Stapelstruktur der vorliegenden Erfindung sehr gut geeignet für den Einsatz in einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung und kann exzellente Eigenschaften aufweisen, um in großem Maße zur Verbesserung des Leistungsverhaltens einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung 5 beizutragen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine piezoelektrische Stapelstruktur zur Verfügung zu stellen, welche im Wesentlichen frei von Beeinträchtigung des Leistungsverhaltens ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist. Ein weiteres Ziel ist es, ein Herstellungsverfahren dafür zur Verfügung zu stellen.

Claims

Piezoelektrische Stapelstruktur (1), welche durch abwechselndes Stapeln einer piezoelektrischen Schicht (111, 112), die PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) umfasst, und einer inneren Elektrodenschicht (121, 122), erhalten wird, wobei der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelstruktur eines Pb-basierten Glases (32) in der Kristallkorngrenze (310) der piezoelektrischen Schicht (111, 112) 95% oder mehr beträgt, wobei der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelstruktur ein Mittelwert der Korngrenzenfüllfaktoren von Kristallkörnern ist, die jeweils durch Teilen der Korngrenzenlänge (31) des Abschnitts, in dem das Pb-basierte Glas (32) an der Grenzfläche des jeweiligen Kristallkorns (31) anhaftet, durch die gesamte Korngrenzenlänge (J) des jeweiligen Kristallkorns (31) erhalten werden, beobachtet über jeweils zwei Kristallkörner von drei Bruchflächen der piezoelektrischen Stapelstruktur (1) in dem Bereich, an dem ein elektrisches Feld angelegt ist, und wobei die Piezoelektrische Stapelstruktur (1) innere Elektrodenschichten (121, 122) aufweist, die jeweils mit Ausnahme eines zu einer der Seitenflächen des Stapelelements liegenden Abschnitts (110) bereitgestellt sind, und diese Abschnitte (110) aufeinander folgend gestapelter Elektrodenschichten (121, 122) an gegenüberliegenden Seitenflächen bereitgestellt sind, und die Länge einer Leerstelle (120), welche an diesem Abschnitt gebildet ist, weniger als 30 μm ist.
Die Piezoelektrische Stapelstruktur (1) nach Anspruch 1, wobei der Korngrenzenfüllfaktor des Pb-basierten Glases (32) 100% beträgt.
Die piezoelektrische Stapelstruktur (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die piezoelektrische Stapelstruktur (1) für einen piezoelektrischen Aktuator verwendet wird, welcher als Antriebsquelle in einer Brennstoff-Einspritzvorrichtung für einen Verbrennungsmotor angewendet wird.
Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Stapelstruktur (1), in welcher eine piezoelektrische Schicht (111, 112), die PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) umfasst, und eine innere Elektrodenschicht (121, 122) abwechselnd gestapelt werden, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Stapeln ungebrannter Lagen für die piezoelektrische Schicht (111, 112), um einen ungebrannten gestapelten Körper herzustellen, die ungebrannte Lage enthält Pb im Überschuss des stöchiometrischen Verhältnisses in PZT (Blei-Zirkonat-Titanat) und weist eine elektrisch leitfähige Paste für die innere Elektrodenschicht (121, 122) auf sich gedruckt auf, und Brennen des ungebrannten gestapelten Körpers in einer Sauerstoffatmosphäre mit einer Sauerstoffkonzentration von 40 bis 100 Vol.-%, so dass der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelstruktur eines Pb-basierten Glases (32) in der Kristallkorngrenze (310) im Inneren der piezoelektrischen Schicht (111, 112) 95% oder mehr beträgt, wobei der Korngrenzenfüllfaktor der Stapelstruktur ein Mittelwert der Korngrenzenfüllfaktoren von Kristallkörnern ist, die jeweils durch Teilen der Korngrenzenlänge (31) des Abschnitts, in dem das Pb-basierte Glas (32) an der Grenzfläche des jeweiligen Kristallkorns (31) anhaftet, durch die gesamte Korngrenzenlänge (J) des jeweiligen Kristallkorns (31) erhalten werden, beobachtet über jeweils zwei Kristallkörner von drei Bruchflächen der piezoelektrischen Stapelstruktur (1) in dem Bereich, an dem ein elektrisches Feld angelegt ist, und wobei die piezoelektrische Stapelstruktur (1) innere Elektrodenschichten (121, 122) aufweist, die jeweils mit Ausnahme eines zu einer der Seitenflächen des Stapelelements liegenden Abschnitts (110) bereitgestellt sind, und diese Abschnitte (110) aufeinander folgend gestapelter Elektrodenschichten (121, 122) an gegenüberliegenden Seitenflächen bereitgestellt sind, und die Länge einer Leerstelle (120), welche an diesem Abschnitt der inneren Elektrodenschicht (121, 122) gebildet ist, weniger als 30 μm ist.